CN101436084A - 具有校正功能的带隙电压源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有校正功能的带隙电压源，可应用于电源管理、A/D或D/A转换器芯片之中，包括运算放大器、电阻、PNP三极管，其特征在于：还包括控制逻辑模块和模拟开关组成的校正电路，所述模拟开关的信号控制端连接控制逻辑模块，通过软件编程或外部端口设定控制逻辑模块，控制开关的开合，以控制运算放大器输出的基准电压(V_REF)。本发明提供了一种高精度，不需要熔丝校正，低成本的电压基准源的实现方法，对环境影响及噪声干扰影响适应性强，能够广泛地运用在电源管理、A/D或D/A转换器等芯片之中。

Description

具有校正功能的带隙电压源

技术领域

本发明涉及一种具有校正功能的带隙电压源，尤其是一种用于片内集成的高精度电压基准源。

背景技术

目前，对于电压基准源的实现常见的有两种形式，一种是齐纳基准源，另一种是带隙基准源。

使用齐纳基准源的方案，齐纳二极管工作在反偏击穿区域，因为击穿电压相对比较稳定，可以通过一定的反向电流驱动产生稳定的基准源。齐纳基准源的最大好处是可以得到很宽的电压范围。它还具有很宽范围的功率，从几个毫瓦到几瓦。齐纳二极管的主要缺点是精确度达不到高精度应用的要求，而且，很难胜任低功耗应用的要求。齐纳基准源的另一个问题是它的输出阻抗。非零阻抗将导致基准电压随负载电流的变化而发生变化。

使用带隙基准源的方案，带隙基准源提供两个电压：一个具有正温度系数、另一个具有负温度系数。两者配合使输出温度系数为零。正温度系数是由于运行在不同电流水平上两个极间电压Vbe的差异产生的；负温度系数来自于Vbe电压本身的负值温度系数。在实际应用中，两个温度系数之和并不精确为零。这依赖于很多设计细节，如集成电路设计、封装和制造测试等，这些器件通常可以实现每摄氏度5至100ppm的输出电压温度系数。为了达到高精度，一般带隙基准源都需要通过熔丝来调整输出电压，这样会增加芯片面积，并且会增加圆片测试的成本。鉴于上述的电压基准源的方案，一个高精度，不需要熔丝校正，低成本的电压基准源就成为了一种需求。

发明内容

本发明提出一种带隙电压基准源的简便校正方法，该方法利用芯片内置电阻与开关，通过软件编程设定或外部端口设定来校正输出电压。

按照本发明提供的方案，一种具有校正功能的带隙电压源，包括运算放大器、电阻、PNP三极管，所述PNP三极管通过所述电阻与运算放大器相互连接；其特征在于：还包括控制逻辑模块和模拟开关组成的校正电路，所述模拟开关控制所述电阻是否接入所述电压源，以控制运算放大器输出的基准电压(V_REF)；

所述模拟开关的信号控制端连接控制逻辑模块的输出端，通过软件编程或外部端口设定控制逻辑模块，控制模拟开关的开合。

所述电阻包括，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4串联，第五电阻R5、第六电阻R6第七电阻R7和第八电阻R8串联，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4之和与第五电阻R5、第六电阻R6第七电阻R7和第八电阻R8之和相等，第一电阻R1和第五电阻R5的另一端连接运算放大器的输出端，第四电阻R4的另一端分别连接第一三极管T1和运算放大器的正极，第八电阻R8的另一端分别连接运算放大器的负极和通过第九电阻R9连接第二三极管T2。

所述模拟开关包括，第一开关K1与第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4并联，第二开关K2与第三电阻R3和第四电阻R4并联，第三开关K3与第四电阻R4并联，第四开关K4与第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8并联，第五开关K5与第七电阻R7和第八电阻R8并联，第六开关K6与第八电阻R8并联.

所述PNP三极管包括第一三极管T1和第二三极管T2，其中，第二三极管T2由N个与第一三极管T1相同的三极管并联而成.

所述控制逻辑模块输入信号S0、S1确定输出信号A、B、C，输出信号A控制第一开关K1和第四开关K4，输出信号B控制第二开关K2和第五开关K5，输出信号C控制第三开关K3和第六开关K6。

所述控制逻辑模块输入信号S0与输入信号S1都为零时，第一电阻R1、第二电阻R2与第五电阻R5、第六电阻R6接入所述电压源，通过公式

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1+R2}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

设定基准电压V_REF的初值，其中，V_BE1是第一三极管(T1)的发射结电压，k是为波尔兹曼常数，q为电子电量，T为绝对温度。

本发明的优点在于：提供了一种高精度，不需要熔丝校正，低成本的电压基准源的实现方法，这种方法具有对环境影响及噪声干扰影响适应性强的优势，能够广泛地运用在电源管理、A/D或D/A转换器等芯片之中。

附图说明

图1是本发明在电源管理系统中的位置。

图2是本发明的硬件模块结构框图。

图3是本发明的电路原理图。

图4是本发明的硬件逻辑。

具体实施方式

如图1所示，在应用系统中，带隙基准源是一个独立的模块。它可以作为整个电压的电流基准或电压基准。

如图2所示，其中，运算放大器与电阻，PNP三极管构成传统型带隙基准源，模拟开关与控制逻辑模块构成校正电路，通过软件编程或外部端口设定控制逻辑，选择合适的基准电压输出。

如图3所示：

第一三极管T₁和第二三极管T₂为PNP三极管，第二三极管T₂由N个与第一三极管T₁相同的三极管并联而成，因此，I_S2＝N*I_S1。I_S为三极管发射结的反向饱和电流。E、F两点保持等电位。由于R₁+R₂+R₃+R₄＝R₅+R₆+R₇+R₈＝R，所以流过R₁+R₂+R₃+R₄的电流与R₅+R₆+R₇+R₈的电流相等。忽略运放正负输入端的输入电流，则第一三极管T₁和第二三极管T₂的集电极电流I_C1＝I_C2＝I_C。第一三极管T₁和第二三极管T₂的发射结电压V_BE1、V_BE2分别为：

$V_{\mathrm{BE}1}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{I_{C1}}{I_{S1}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{I_C}{I_{S1}}$

$V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{I_{C2}}{I_{S2}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \frac{I_C}{N\·I_{S1}}$

其中：K为波尔兹曼常数；q为电子电量；T为绝对温度。

电阻R₉两端的电压为：

$V_{R9}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln N$

流过R₉的电流为：

$I_{R9}=I_C=\frac{\mathrm{kT}}{q{R}_9}\ln N$

输出基准电压为：

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2+R3+R4}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

由上式可知，选取适当的R与R₉比例关系和N值，可获得很低的温度系数。

控制逻辑通过编码控制模拟开关K1～K6，设定输出电压V_REF。编码设定输出电压的对应关系如下所述：

(1)当S1＝0，S0＝0时，K2、K5打开，K1、K3、K4、K6关闭，此时R1、R2与R5、R6接入，计算公式为：

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1+R2}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

此时的V_REF为上电后电路的初值。

(2)当S1＝0，S0＝1时，K1、K4打开，K2、K3、K5、K6关闭，此时R1与R5接入，计算公式为

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

上式为减1设置，即相对于初始值减小ΔV_REF1，如下式：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}1}=(\frac{R2}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

(3)当S1＝1，S0＝0时，K3、K6打开，K1、K2、K4、K5关闭，此时R1、R2、R3与R5、R6、R7接入，计算公式为

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2+R3}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1+R2+R3}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

上式为加1设置，即相对于初始值增加ΔV_REF2，如下式：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}2}=(\frac{R3}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

(4)当S1＝1，S0＝1时，K1、K2、K3、K4、K5、K6关闭，此时R1、R2、R3、R4与R5、R6、R7、R8接入，计算公式为：

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2+R3+R4}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1+R2+R3+R4}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

上式为加2设置，即相对于初始值增加ΔV_REF3，如下式：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}3}=(\frac{R3+R4}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

输出电压V_REF可以通过软件程序设定选择适合的值，也可以通过外部端子设定电压值。

若通过软件编程的方法，其中两位数据用来设定模拟开关，确定输出电压，其它位数据根据需要设定。两位数据设定如下：

00：初值设置。

01：减1设置。

10：加1设置。

11：加2设置。

若通过外部端口设定的方法，需要两个外部端子，设定如下：

00：初值设置。

01：减1设置。

10：加1设置。

11：加2设置。

在室温(25℃)的条件下，由公式

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1+R2}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

计算得出基准电压V_REF的初值设定为1.19V左右；

由以下公式确定电阻值：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{REF}}=(\frac{\mathrm{\ΔR}}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

根据需要，将减1设置设定为减小10mV，加1设置设定为增加10mV，加2设置设定为增加20mV；或减1设置设定为减小20mV，加1设置设定为增加20mV，加2设置设定为增加30mV。

Claims (6)

1、一种具有校正功能的带隙电压源，包括运算放大器、电阻和PNP三极管，所述PNP三极管通过所述电阻与运算放大器连接；其特征在于：还包括控制逻辑模块和模拟开关组成的校正电路，所述模拟开关控制所述电阻是否接入所述电压源，以控制运算放大器输出的基准电压(V_REF)；

所述模拟开关的信号控制端连接控制逻辑模块的输出端，通过编程或外部端口设定控制逻辑模块，控制模拟开关的开合。

2、如权利要求1所述的具有校正功能的带隙电压源，其特征在于：所述电阻包括，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)串联，第五电阻(R5)、第六电阻(R6)第七电阻(R7)和第八电阻(R8)串联，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)之和与第五电阻(R5)、第六电阻(R6)第七电阻(R7)和第八电阻(R8)之和相等，第一电阻(R1)和第五电阻(R5)的另一端连接运算放大器的输出端，第四电阻(R4)的另一端分别连接第一三极管(T1)和运算放大器的正极，第八电阻(R8)的另一端分别连接运算放大器的负极和通过第九电阻(R9)连接第二三极管(T2)。

3、如权利要求1所述的具有校正功能的带隙电压源，其特征在于：所述模拟开关包括，第一开关(K1)与第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)并联，第二开关(K2)与第三电阻(R3)和第四电阻(R4)并联，第三开关(K3)与第四电阻(R4)并联，第四开关(K4)与第六电阻(R6)、第七电阻(R7)和第八电阻(R8)并联，第五开关(K5)与第七电阻(R7)和第八电阻(R8)并联，第六开关(K6)与第八电阻(R8)并联。

4、如权利要求1所述的具有校正功能的带隙电压源，其特征在于：所述PNP三极管包括第一三极管(T1)和第二三极管(T2)，其中，第二三极管(T2)由N个与第一三极管(T1)相同的三极管并联而成。

5、如权利要求1所述的具有校正功能的带隙电压源，其特征在于：所述控制逻辑模块的输入信号(S0、S1)确定输出信号(A、B、C)，输出信号(A)控制第一开关(K1)和第四开关(K4)，输出信号B控制第二开关(K2)和第五开关(K5)，输出信号C控制第三开关(K3)和第六开关(K6)。

6、如权利要求2所述具有校正功能的带隙电压源，其特征在于：所述控制逻辑模块输入信号S0与输入信号S1都为零时，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)与第五电阻(R5)、第六电阻(R6)接入所述电压源，通过公式

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}1}+V_{R1+R2}=V_{\mathrm{BE}1}+(\frac{R1+R2}{R_9}\·\frac{k}{q}\ln N)\×T$

设定基准电压(V_REF)的初值，其中，V_BE1是第一三极管(T1)的发射结电压，k是为波尔兹曼常数，q为电子电量，T为绝对温度。

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